循环流化床锅炉SO2超低排放技术研究

北极星环保网讯:针对循环流化床锅炉污染物生成量较低的特点,分析了锅炉SO2生成量的影响因素,不同脱硫工艺的优缺点,结合试验研究结果和工程应用实例提出了循环流化床锅炉实现SO2超低排放的技术.结果表明:循环流化床锅炉SO2生成量取决于煤的硫分中可燃硫所占比例、煤灰中CaO等碱金属氧化物含量和锅炉运行参数,运行参数中床温影响最大;通过优化锅炉运行参数降低SO2生成量,炉内干法高效脱硫和烟气脱硫相结合的深度脱硫技术可以实现SO2超低排放的目标,并具有更高的调节灵活性和运行可靠性;烟气脱硫工艺的选取上,CFB-FGD半干法脱硫工艺相对于石灰石-石膏湿法脱硫工艺更具有经济优势.

为了全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造,2015年,国家环保部印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》,加快现役燃煤发电机组超低排放改造步伐,即在基准氧含量6%条件下,烟尘、SO2、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/m3。

许多燃煤发电企业、高校及科研院所已经开始了深度脱硫技术(综合脱硫效率不小于98%,且SO2实现超低排放)的研究。循环流化床燃烧技术是20世纪70年代末发展起来的清洁煤燃烧技术。在800~900℃下,燃烧稳定。加入一定粒径的石灰石颗粒,石灰石中的碳酸钙分解成高孔隙率的氧化钙,进而吸收燃料燃烧生成的SO2。

在此温度范围,氮氧化物的生成量较低[1-3]。另外,煤种适应性强,尤其是燃用煤矸石、煤泥等低热值燃料利于煤炭资源的综合利用。因此,近20年,CFB(循环流化床)锅炉技术在我国得到迅速发展,循环流化床锅炉机组发电容量近1亿kW,总循环流化床锅炉台数大于3000台,其工程应用已发展到600MW超临界等级。

通过炉内喷入石灰石粉实现高效脱硫是CFB锅炉的特点,也是CFB锅炉得以迅速发展的主要原因之一[4-5]。由于炉内干法脱硫技术具有工艺流程简单、初投资及运行费用较低等优点,CFB锅炉设计阶段大多配置有炉内干法脱硫装置。一般认为,CFB锅炉在加入石灰石量达到Ca/S约为2.5时,可以实现90%以上的脱硫效率[6]。

对于相当大一部分折算硫分较高的CFB锅炉机组,单纯依靠炉内干法脱硫装置实现SO2超低排放并长周期稳定运行存在较大难度。因此,本文结合试验台试烧试验研究结果和工程应用实例研究了CFB锅炉机组深度脱硫技术,并提出了实现SO2超低排放的技术策略。

1 CFB锅炉SO2的生成量

在实际运行中,CFB锅炉SO2的实际生成量一般会低于以全硫计算的理论排放量,CFB锅炉SO2的实际生成量主要取决于以下几个因素。

1.1煤的硫分中可燃硫所占比例

煤中硫分按其在空气中能否燃烧可分为可燃硫和不可燃硫。可燃硫在CFB锅炉燃烧过程中的主要产物是SO2,包括有机硫、硫铁矿硫和单质硫,都能在空气中燃烧,占煤中硫分的90%以上;不可燃硫不能在空气中燃烧,在一定的温度区间也不发生分解,可看作是惰性的,主要以硫酸钙的形式存在。硫分中可燃硫所占的比例大则燃烧过程中SO2的实际排放值高,反之亦然[7]。

1.2煤灰中CaO等碱金属氧化物含量

煤灰中含有CaO、MgO和Fe2O3等碱金属氧化物,其会与烟气中的SO2反应生成碱金属的硫化物,煤灰中还有诸多多孔介质类物质,对SO2有一定的固定作用,在定性分析时,常采用燃料自身钙硫物质

1.3锅炉运行参数

锅炉运行参数中床温和氧含量对于SO2的实际排放影响最大。在运行床温低于850℃时,随着床温的升高,煤灰中碱金属的固硫反应速度呈增长趋势。床温高于850℃时,随床温的进一步提高,固硫反应速度开始下降,另外,已经生成的碱金属硫化物还会逆相分解生成SO2,煤中以硫酸钙形式存在的不可燃硫也会发生分解反应生成SO2[10]。

固硫反应阶段需要氧气的参与,当锅炉运行氧含量过低时会限制固硫反应的进行。另外,当O2的分压过小时,CaSO4不稳定,将会发生还原反应:

CaSO4+CO→CaO+SO2+CO2(1)

实际运行中,兼顾煤的燃尽程度,CFB锅炉过量空气系数不宜低于1.1,即炉膛出口氧含量不低于2%。对于挥发分低的难燃煤种,过量空气系数需进一步提高。

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